Родилась 8 октября 1907 года в селе Новоспасовка, ныне село Осипенко Бердянского района Запорожской области, в семье крестьянина. Окончила начальную школу, курсы птицеводов. Работала заведующей колхозной птицефермой. С 1930 года в Красной Армии. В 1932 году окончила Качинскую военную авиационную школу. Служила лётчиком, командиром звена в истребительной авиации. В 1936 — 1938 годах установила 5 мировых авиационных рекордов высоты и дальности полёта для женщин.
Капитан П. Д. Осипенко была вторым пилотом самолёта «Родина», на котором 24-25 сентября 1938 года вместе с В. С. Гризодубовой и М. М. Расковой совершила рекордный беспосадочный перелёт по маршруту Москва — Дальний Восток (Комсомольск-на-Амуре). За этот полёт 2 Ноября 1938 года всем членам экипажа было присвоено звание Героя Советского Союза. Награждена орденами Ленина (дважды), Трудового Красного Знамени.
Майор П. Д. Осипенко погибла при исполнении служебных обязанностей 11 Мая 1939 года. Похоронена в Москве у Кремлёвской стены. Её именем названы улицы и площади в Москве, Минске, Перми, Владимире, Элисте и других городах, райцентр и район в Хабаровском крае. В селе Осипенко установлен её бюст, в деревне Высокое Рыбновского района Рязанской области — обелиск.
Полина Денисовна Осипенко до 20 лет никогда не видела самолёта. Она родилась в многодетной семье крестьянина — бедняка, жившего на берегу Азовского моря. Когда Полина окончила 2 класса церковно — приходской школы, перед родителями встал вопрос: где добыть денег, чтобы купить дочери обувь, одежду, тетради? Затруднение разрешилось просто: девочка в школу больше не пошла, её отдали в няньки.
Подросла она и стала батрачкой. После Октябрьской революции, когда в селе Ново-Спасовка организовался колхоз, Полине поручили уход за птицей. Дни и ночи проводила она на птичнике, но всё-таки находила время для учёбы в вечерней школе.
Однажды на луг около птицеводческой фермы опустились 2 самолёта. Не будь этой вынужденной посадки, возможно, никогда бы в нашей стране не появилась такая замечательная лётчица, как Полина Осипенко.
Все колхозники от мала до велика прибежали к самолётам. Полина увидела среди лётчиков женщину. Это поразило её. С этого дня Осипенко решила научиться летать и сама. Она списалась с односельчанином, курсантом военной авиационной школы, и вскоре поехала к нему.
Свою службу в авиации Полина Осипенко начала в должности… официантки в столовой. Она подавала курсантам борщ и котлеты и каждый день упрашивала начальника школы принять её на учебу. Она убеждала его с таким жаром, с такой настойчивостью, что он в конце концов улыбнулся и сказал: «Что ж, пройдите медицинский осмотр…»
Этого только и надо было Полине. Её здоровью мог позавидовать любой кандидат в лётчики. И вот вчерашней колхознице остригли волосы, выдали военное обмундирование, отвели комнату в общежитии. Она стала курсантом авиашколы…
Осипенко занималась с исключительным старанием. Ей охотно и много помогали товарищи. После окончания школы военного пилота Осипенко направили на службу в авиационную часть. А когда ей дали отпуск, она приехала па побывку в родную Ново — Спасовку. Приехала, конечно, в лётной форме. Колхозники ходили за ней по пятам, а некоторые бесцеремонно спрашивали: «Скажи правду, ты в самом деле летаешь или просто ходишь в военной форме?»
Осипенко говорила, что летает, но ей не верили. Даже мать — и та усомнилась. Тогда Полина решила доказать, что она лётчица. Вместе с матерью она уехала в свою часть. Старушка была на аэродроме, когда дочь поднялась в воздух. Самолёт делал «петли Нестерова», «бочки», «штопоры». Мать стояла на зелёном поле, смотрела в небо и плакала. Когда дочь подошла к ней после полёта, счастливая мать сказала: «Ну, теперь я верю, что ты летаешь, расскажу всему селу…»
Полипа Осипенко неустанно совершенствовалась как лётчица. Она была на редкость настойчива, упорна, трудолюбива. В одном из полётов она достигла рекордной высоты среди женщин в открытой кабине — 8804 метра.
Когда летом 1938 года вместе со своими подругами Верой Ломако и Мариной Расковой готовилась к рекордному полёту на гидросамолёте, неожиданно выяснилось, что Полина, выросшая на берегу Азовского моря, не умеет плавать.
— Летать не боишься, а плавать не умеешь. Какая же ты морячка? А ещё командир летающей лодки! — шутили над ней подруги.
— Хорошо, — сказала Осипенко Расковой, — я поплыву, только ты будешь плыть рядом. Будешь плыть и приговаривать: «Спокойно, спокойно».
И она поплыла, неумело размахивая руками. Через 2 дня, Осипенко уже одна уплыла так далеко в открытое море, что врач, стоявший на берегу, кричал:
— Вернитесь, вернитесь немедленно!…
Выйдя на берег, Осипенко, улыбаясь, сказала Расковой:
— Видишь, страх не так уж трудно побороть. Вот и научилась плавать.
А плавать ей нужно было уметь. Три лётчицы отправлялись в рискованный рейс на летающей лодке и должны были быть готовыми ко всяким неожиданностям…
Они позавтракали в Севастополе, а ужинать им предстояло в Архангельске. Гидросамолёт всё время летел над сушей, вынужденная посадка исключалась. Большую часть пути пробивались сквозь густую облачность, летели «вслепую». Несколько раз самолёт обледеневал. Этим полётом лётчицы за 10 часов 33 минуты соединили воздушной трассой Чёрное и Белое моря и установили новый мировой рекорд.
24-25 сентября 1938 года, вместе с Валентиной Гризодубовой и Мариной Расковой, Полина Осипенко совершила рекордный беспосадочный перелёт на самолёте «Родина» по маршруту Москва — Дальний Восток (Комсомольск-на-Амуре). А вскоре, в Ноябре 1938 года, все члены экипажа были удостоены звания Герой Советского Союза.
…В мае 1939 года Майор П. О. Осипенко, работавшая тогда в лётной инспекции, должна была принять участие в сборах командиров для тренировки в слепых полётах на Курсах усовершенствования начальствующего состава.
В первый день лётчики работали в помещении с тренажером. Они по очереди занимали кабину и выполняли по приборам задание инструктора. На следующий день летали с инструкторами и только на 3-й день перешли к самостоятельным полётам.
С утра 11 Мая облака низко нависли над землёй. Но полёты начались в точно указанное в графике время. Каждый самолёт летал в отведённой ему зоне.
По предложению Героя Советского Союза Анатолия Серова, так же проходившего обучение на этих курсах, лётчики раздолились на пары: один находился в закрытой кабине, другой — в открытой, вместо инструктора. Потом менялись местами.
Серов вылетел на задание с Полиной Осипенко. Сначала она находилась в закрытой кабине и вела машину вслепую. В это время Серов, сидя в передней открытой кабине, корректировал полёт. После сел в закрытую кабину, место инструктора заняла Полина Осипенко, самолёт легко и красиво пошёл в воздух. Это был последний полёт замечательных лётчиков…
Разбитую машину нашли недалеко от села Высокое. Кабина Серова была открыта. Причины катастрофы так и остались невыясненными…
Наш народ не забыл своих Героев. Их именами названы улицы и площади во многих городах страны. Имя Героев долгое время носили пионерские дружины во многих средних школах и специальных учебных заведениях.
Во время Великой Отечественной войны одна из боевых машин 108-го Гвардейского штурмового авиационного полка носила имя прославленной лётчицы Героя Советского Союза Полины Денисовны Осипенко.